專利名稱：用于避免太陽黑效應的cmos圖像傳感器的列模數轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及CMOS圖像傳感器(CIS)，尤其涉及用于通過使用二次采樣技術將從CIS的像素輸出的模擬信號轉換成數字數據的模數轉換器(ADC)。
背景技術：
由于CIS工作在低電壓下并且比電荷耦合器件(CCD)耗電少，因此在諸如數碼相機、可視蜂窩式(cell)電話和手持掃描儀的依賴于電池的便攜式應用中得到了越來越多的使用。
然而，當使用CIS產生圖像時，有可能發生太陽黑(sun black)效應。太陽黑效應是在拍攝高照度(high illumination)下的人或諸如太陽的物體時由于像素之中的電荷溢出而導致的與太陽黑子類似的現象，在這種現象中，圖像中應該被顯示為明亮的部分被顯示成了黑暗的。
具體來說，當高照度下的輻射強度超過像素的動態范圍時發生太陽黑效應。換句話說，當由于重置電平低于正常電平而導致CIS中的主動式像素(active pixel)傳感器(APS)的重置電平和信號電平之間的差減少時發生太陽黑效應。
圖1示出了用于CIS電路的傳統列ADC電路。
如圖1所示，該列ADC電路通過二次采樣將與從CIS電路中的APS輸出的光電荷(photo charge)相對應的模擬電壓轉換成數字數據。
二次采樣由用于對APS的重置電壓進行采樣的重置采樣和用于對APS的信號電壓進行采樣的信號采樣構成。通過二次采樣產生的電壓差隨后被轉換成數字數據。
圖1的列ADC電路包括由第一控制信號S1控制的、位于APS的輸出端口和第一節點17之間的第一開關SW1；由第二控制信號S2控制的、位于CIS的斜坡(ramp)發生器的輸出端口和第二電容器C1之間的第二開關SW2；連接在第一節點17和比較器11的第一輸入端口19之間的第一電容器C0；以及連接在第一節點17和第二開關SW2之間的第二電容器C1。
該列ADC電路還包括比較器11、反相器(inverter)13和數字轉換器15。比較器11具有用于接收從APS輸出的電壓的第一輸入端口19和用于接收參考電壓Vref的第二輸入端口，并且比較器11將從第一輸入端口19輸入的光信號電壓與參考電壓Vref進行比較，并輸出該比較的結果；反相器13用于將從比較器11輸出的信號反向放大；而數字轉換器15用于將從反相器13輸出的模擬信號轉換成數字數據。
該列ADC電路還包括連接在比較器11的第一輸入端口19和輸出端口之間并且由第三控制信號S3控制的第三開關SW3，和與反相器13并行連接并且由第四控制信號S4控制的第四開關SW4。
數字轉換器15包括多個串聯連接的鎖存器，用于對應于在正常操作期間檢測的信號電平對時鐘進行計數，并基于該計數的值將該信號電平轉換成數字數據。
圖2示出了用于驅動圖1所示的列ADC電路的波形以及圖1中的列ADC電路的內部節點的電壓電平。
現在參照圖1和圖2，當列ADC電路工作時，控制信號S1、S2、S3和S4在重置采樣時段中變成邏輯高，并且它們對應的開關SW1、SW2、SW3和SW4被接通。
然后，比較器11和反相器13具有反饋結構。從APS輸出的重置電壓被存儲在第一電容器C0中，并且從斜坡發生器輸出的斜坡電壓被存儲在第二電容器C1中。因此，第一節點17的電壓Vp變成從APS輸出的重置電壓的電平。
隨后，在信號采樣時段中，將與從APS輸出的光電荷相對應的信號電壓傳輸到第一節點17。如圖2所示，由于該信號電壓被降低以便與所述光電荷相對應，因此從第一節點17輸出的重置電壓和該信號電壓之間產生了電壓差21。類似地，從第二節點19輸出的重置電壓與該信號電壓之間的電壓差23對應于第一節點17的電壓差21。
如圖2所示，當處于正常照度下時，第一節點17的電壓Vp和第二節點19的電壓Vin如實線所示的那樣工作，從而顯示了和入射的輻射強度成比例的電壓差。如圖2進一步所示，當處于高照度下時，電壓Vp和Vin如虛線所示的那樣工作，從而顯示了小于實際入射的輻射強度的電壓差。
換句話說，當電壓Vp和Vin是圖2所示的虛線時，在重置采樣期間，由于APS的溢出導致重置電壓輸出低于正常的重置電壓。因此，由于在信號采樣期間的信號電壓和重置電壓之間的電壓差22和24低于正常電平，因此發生了太陽黑效應。
圖3示出了用于CIS電路的另一個傳統的列ADC電路。
除二極管31外，圖3的列ADC電路包括與圖1的列ADC電路相同或類似的部件，因此省略對重復的部件的描述。
如圖3所示，即使當APS中產生溢出時，也可以通過將二極管31添加到APS的輸出端口來維持重置電壓，從而避免了太陽黑效應。
然而，在圖3的列ADC電路中，由于當二極管31的輸入電壓Vclamp低時可以產生固定模式噪聲(FPN，fixed pattern noise)，因此不應當執行二次采樣。此外，當輸入電壓Vclamp高時可能產生太陽黑效應。而且，由于輸入電壓Vclamp的變動，可能導致圖像傳感錯誤。
因此存在對于一種用于CIS的列ADC電路的需求，所述列ADC電路能夠進行二次采樣，同時當在CIS的APS中產生溢出時能避免重置電壓的降低。
發明內容
本發明提供了一種列ADC電路和一種二次采樣方法，其能夠在高照度下在CIS中的APS中產生溢出時避免太陽黑效應。
根據本發明的一個方面，提供了一種CIS中的列ADC電路。該列ADC電路包括具有信號電壓輸入端口和參考電壓輸入端口的比較器，其在重置采樣時段中將從多個CIS像素之一輸出的重置電壓與參考電壓進行比較，并在該重置電壓低于參考電壓時輸出溢出傳感信號；以及數字轉換器，其將比較器的輸出轉換成數字數據，其中該數字轉換器包括第一鎖存器，當在重置采樣時段的第一部分中從比較器輸出溢出傳感信號時，該第一鎖存器存儲該溢出傳感信號，并且響應于該溢出傳感信號，在信號采樣時段中輸出指示溢出的標志信號。
標志信號可以指示從CIS像素之一檢測到的光信號是白色。
列ADC電路可以還包括連接在第一節點和比較器的信號電壓輸入端口之間的第一電容器，用以存儲從CIS像素之一輸出的光電荷；連接在第二節點和第一節點之間的第二電容器，用以存儲從斜坡發生器輸出的斜坡電荷；第一開關，連接在第一節點和接收從CIS像素輸出的光電荷信號的光電荷輸入端口之間，并在重置采樣時段和信號采樣時段中被接通；以及第二開關，連接在第二節點和接收從斜坡發生器輸出的斜坡電荷信號的斜坡電荷輸入端口之間，并在重置采樣時段和信號采樣時段中被接通。
所述數字轉換器可以包括多個第二鎖存器，用以對應于在信號采樣時段中的光電荷對時鐘進行計數，并且將所計數的時鐘轉換成數字數據。
當在多個第二鎖存器之一中檢測到黑色時，標志信號指示從CIS像素之一檢測到的光信號是白色。
該列ADC電路可以還包括與第一電容器并聯的第三開關；以及與比較器并聯的第四開關，其中，該第三開關在重置采樣時段之前被接通預定的時間，并且將第一節點連接到比較器的信號電壓輸入端口；而該第四開關在重置采樣時段的第二部分中被接通，以使得比較器的信號電壓輸入端口的電壓電平等于參考電壓的電平。
該列ADC電路可以還包括反向放大比較器的輸出的反相器；和與該反相器并聯連接的第五開關，其中，該第五開關在重置采樣時段之前和重置采樣時段的第二部分中被接通預定的時間，并且維持反相器的箝位電壓。
該列ADC電路可以還包括連接在比較器和反相器之間的電容器。
當比較器不輸出溢出傳感信號時，數字轉換器可以輸出與光電荷相對應的數字數據；而當比較器輸出溢出傳感信號時，比較器輸出指示白色的標志信號。
所述多個CIS像素可以包括在CIS的APS中。
根據本發明的另一個方面，提供了一種用于將從CIS的像素輸出的模擬信號轉換成數字信號的二次采樣方法，所述方法包括通過將從CIS像素輸出的重置電壓與參考電壓進行比較并在重置電壓低于參考電壓時產生和存儲溢出傳感信號來執行重置采樣；執行用于對與從CIS像素輸出的光電荷相對應的信號進行采樣的信號采樣；以及通過在該溢出傳感信號被存儲時輸出指示白色的標志信號并在該溢出傳感信號未被存儲時輸出與光電荷相對應的數字數據來執行數字轉換。
該數字轉換可以包括當溢出傳感信號未被存儲時，對用于與光電荷相對應的電壓達到預定的電壓的時間進行計數，并將該計數的值轉換成數字數據。
該二次采樣方法可以還包括在執行重置采樣之前重置存儲光電荷的電容器電子電荷(electric charge)。
在重置采樣的第一部分期間輸出該溢出傳感信號。
重置采樣包括將重置電壓與參考電壓進行比較，并存儲溢出傳感信號；并且將重置電壓的電平設置成與參考電壓相等。
在重置采樣的第二部分期間，設置重置電壓的電平。
通過參照附圖對本發明的示范實施例進行詳細描述，本發明的上述和其它特征將變得更加明顯，附圖中圖1是說明用于CIS電路的傳統列ADC電路的圖；圖2是說明用于驅動圖1示出的傳統列ADC電路的波形以及圖1中的列ADC電路的內部節點的電壓電平的圖；圖3是說明用于CIS電路的另一個傳統列ADC電路的圖；圖4是說明根據本發明示范實施例的用于CIS電路的列ADC電路的圖；圖5是說明用于驅動圖4示出的列ADC電路的波形以及圖4中的列ADC電路的內部節點的電壓電平的圖。
具體實施例方式
下面通過參照附圖更全面地說明本發明，附圖中，示出了本發明的示范實施例。圖中相同的附圖標記表示相同的元件。
圖4示出了根據本發明實施例的用于CIS電路的列ADC電路。
如圖4所示，該列ADC電路包括由第一控制信號S1控制的、位于CIS電路的APS的輸出端口和第一節點47之間的第一開關SW1；由第二控制信號S2控制的、位于CIS的斜坡發生器的輸出端口和第二節點49之間的第二開關SW2；連接在第一節點47和比較器41的第一輸入端口51之間的第一電容器C0；以及連接在第一節點47和第二節點49之間的第二電容器C1。
該列ADC電路還包括比較器41、反相器43和數字轉換器45。其中，比較器41具有用于接收從APS輸出的電壓的第一輸入端口51和用于接收參考電壓Vref的第二輸入端口，并且，比較器41比較從第一輸入端口51輸入的光信號電壓和參考電壓Vref，并輸出比較結果；反相器43用于反向放大從比較器41輸出的信號；數字轉換器45用于將從反相器43輸出的模擬信號轉換成數字數據。
該列ADC電路還包括連接在比較器41的第一輸入端口51和輸出端口53之間并由第三控制信號S3控制的第三開關SW3、與反相器43并行連接并由第四控制信號S4控制的第四開關SW4、與第一電容器C0并行連接并由第五控制信號S5控制的第五開關SW5以及連接在比較器41和反相器43之間的第三電容器C2。
數字轉換器45包括第一鎖存器59，用于當在APS中產生溢出時存儲溢出傳感信號和在信號采樣時段中輸出指示溢出的發生的標志信號OVFB。而且，數字轉換器45包括串聯連接的多個第二鎖存器61，用于對應于在正常操作期間檢測到的信號電平對時鐘進行計數，并基于所計數的值將該信號電平轉換成數字數據。
換句話說，在圖4的列ADC電路中，當在重置采樣期間在APS中產生溢出時，在比較器41中檢測到溢出并且該檢測的結果被存儲在第一鎖存器59中。第一鎖存器59隨后在信號采樣期間輸出指示檢測到溢出而不是通常操作狀態的標志信號OVFB。
標志信號OVFB指示感測到的圖像信號是白色。因此，當光的照度高到足夠在APS中產生溢出時，能夠通過當在第二鎖存器61中檢測到黑色時輸出白色來避免太陽黑效應。
圖5是說明用于驅動圖4所示的列ACD電路的波形和圖4中的列ADC電路的內部節點的電壓電平的圖。
現在將參照圖4和圖5說明圖4的列ADC電路的操作。
如圖5所示，在根據本發明示范實施例的二次采樣方法中，重置采樣時段被劃分成前半段A和后半段B。
在該二次采樣方法中，在重置采樣之前，第四控制信號S4和第五控制信號S5達到高電平，并且第一節點47的電壓變成等于比較器41的第一輸入端口51的電壓。此外，反相器43的輸出被反饋到反相器43的輸入端口，并且輸入到反相器43的輸入端口的電壓變成Vdd/2。
然后，第一控制信號S1在重置采樣時段的前半段A中達到高電平，并且對應于APS的重置電壓的電子電荷被存儲在第一電容器C0中。第二控制信號S2在重置采樣時段的前半段A中也達到高電平，并且從斜坡發生器輸出的電子電荷被存儲在第二電容器C1中。比較器41比較輸入到第一輸入端口51的重置電壓和參考電壓Vref，并輸出比較的結果。在正常操作中，由于重置電壓Vin大于參考電壓Vref，因此比較器41的輸出Vout達到0伏的低電平。因此，反相器43的輸出信號達到高電平Vdd，并且具有高電平Vdd的輸出信號被鎖存在數字轉換器45的第一鎖存器59上。
當例如通過在高照度下拍攝一個物體而導致APS溢出時，輸入到比較器41的第一輸入端口51的重置電壓Vin低于參考電壓Vref。在這種情況下，比較器41的輸出端口53的電壓Vout達到高電平，并且反相器43的輸出端口57的電壓Vcnt達到低電平。當這種情況發生時，反相器43的輸出電壓Vcnt被鎖存在數字轉換器45的第一鎖存器59上。
隨后，在重置采樣時段的后半段B中執行傳統的重置采樣。換句話說，第三控制信號S3和第四控制信號S4變成邏輯高，于是使得比較器41和反相器43能夠形成反饋結構。因此，反相器43的輸出端口達到電平Vdd/2，并且當第一到第四開關(SW1到SW4)被斷開時維持Vdd/2的電平。
如圖5進一步所示，在信號采樣時段中，第一控制信號S1和第二控制信號S2再次變成邏輯高，從而對與從APS輸出的光電荷相對應的電壓進行采樣。隨后從斜坡發生器輸出以預定斜率增加的斜坡電壓。接著，數字轉換器45對斜坡電壓達到與重置電壓和信號電壓之間的電壓差相對應的電壓所需要的時間進行計數。然后，第二鎖存器61鎖存該計數的值并且輸出被鎖存的值。該計數的值隨后變成與所感測到的輻射強度相對應的數字數據。
如果確定出在邏輯低電平被存儲在第一鎖存器59中時在APS中產生了溢出，此時，數字轉換器45不執行正常的數字轉換，并且第一鎖存器59輸出指示溢出發生的標志信號OVFB。此處，標志信號OVFB與從數字轉換器45輸出的白色相對應，并且用于感測在APS中發生溢出的溢出傳感信號將被顯示為白色。
于是，根據本發明的示范實施例，由于當在APS中產生溢出時白色被顯示，因此能夠避免太陽黑效應。因此，在拍攝具有高照度的人或對象時，當在APS中產生溢出時，能夠避免太陽黑效應在本發明的另一個示范實施例中，圖4的列ADC電路可以包括串聯連接的多于一個的反相器(未示出)和開關組(未示出)，其中所述組中的每個開關與相應的那個反相器并行連接。該開關組在重置采樣時段之前和重置采樣時段的第二部分中被接通預定的時間，并且維持反相器的箝位電壓。
此外，該列ADC電路可以包括與反相器13串聯連接的一個或多個反相器(未示出)以及連接在每個反相器之間的電容器(未示出)。
雖然參照其示范實施例具體示出并說明了本發明，但是本領域的技術人員應當理解，在不脫離由所附權利要求定義的本發明的主旨和范圍的前提下可以對本發明進行形式上和細節上的各種改變。
權利要求
1.一種CMOS圖像傳感器(CIS)的列模數轉換器(ADC)電路，該列ADC電路包括比較器，其具有信號電壓輸入端口和參考電壓輸入端口，在重置采樣時段中，該比較器將從多個CIS像素之一輸出的重置電壓與參考電壓進行比較，并在該重置電壓低于參考電壓時輸出溢出傳感信號；和數字轉換器，其將比較器的輸出轉換成數字數據，其中，該數字轉換器包括第一鎖存器，當在重置采樣時段的第一部分期間從比較器輸出所述溢出傳感信號時，該第一鎖存器存儲該溢出傳感信號，并響應于該溢出傳感信號在信號采樣時段中輸出指示溢出的標志信號。
2.如權利要求1所述的列ADC電路，其中，所述標志信號指示從CIS像素之一檢測到的光信號是白色。
3.如權利要求1所述的列ADC電路，還包括第一電容器，其連接在第一節點和比較器的信號電壓輸入端口之間，用以存儲從CIS像素之一輸出的光電荷；第二電容器，其連接在第二節點和第一節點之間，用以存儲從斜坡發生器輸出的斜坡電荷；第一開關，其連接在第一節點和光電荷輸入端口之間，并且在重置采樣時段中和信號采樣時段中被接通，其中，所述光電荷輸入端口接收從所述CIS像素輸出的光電荷信號；和第二開關，其連接在第二節點和斜坡電荷輸入端口之間，并且在重置采樣時段中和信號采樣時段中被接通，其中，所述斜坡電荷輸入端口接收從斜坡發生器輸出的斜坡電荷信號。
4.如權利要求1所述的列ADC電路，其中，所述數字轉換器包括多個第二鎖存器，用以對應于信號采樣時段中的光電荷對時鐘進行計數，并將被計數的時鐘轉換成數字數據。
5.如權利要求4所述的列ADC電路，其中，當在多個第二鎖存器之一中檢測到黑色時，所述標志信號指示從CIS像素之一檢測到的光信號是白色。
6.如權利要求3所述的列ADC電路，還包括第三開關，其與所述第一電容器并行連接；和第四開關，其與所述比較器并行連接，其中，該第三開關在重置采樣時段之前被接通預定的時間，并且將所述第一節點連接到比較器的信號電壓輸入端口，并且該第四開關在重置采樣時段的第二部分中被接通，以使比較器的信號電壓輸入端口的電壓電平等于參考電壓的電平。
7.如權利要求6所述的列ADC電路，還包括反相器，其反向放大所述比較器的輸出；和第五開關，其與該反相器并行連接，其中，該第五開關在重置采樣時段之前和重置采樣時段的第二部分中被接通預定的時間，并且維持該反相器的箝位電壓。
8.如權利要求7所述的列ADC電路，還包括連接在所述比較器和所述反相器之間的電容器。
9.如權利要求1所述的列ADC電路，其中，在所述比較器不輸出溢出傳感信號時，所述數字轉換器輸出與從CIS像素之一輸出的光電荷相對應的數字數據，而在該比較器輸出溢出傳感信號時，該數字轉換器輸出指示白色的標志信號。
10.如權利要求1所述的列ADC電路，其中，所述多個CIS像素包括在CIS的主動式像素傳感器(APS)中。
11.一種用于將從CMOS圖像傳感器(CIS)的像素輸出的模擬信號轉換成數字信號的二次采樣方法，所述方法包括通過將從CIS像素輸出的重置電壓與參考電壓進行比較并且在該重置電壓低于參考電壓時產生和存儲溢出傳感信號來執行重置采樣；通過對與從CIS像素輸出的光電荷相對應的信號進行采樣來執行信號采樣；和通過在溢出傳感信號被存儲時輸出指示白色的標志信號和在溢出傳感信號沒被存儲時輸出與光電荷相對應的數字數據來執行數字轉換。
12.如權利要求11所述的二次采樣方法，其中，所述數字轉換包括對用于與光電荷相對應的電壓達到預定的電壓的時間進行計數和當溢出傳感信號未被存儲時將該計數的值轉換為數字數據。
13.如權利要求11所述的二次采樣方法，還包括在執行所述重置采樣之前重置存儲光電荷的電容器的電子電荷。
14.如權利要求11所述的二次采樣方法，其中，在所述重置采樣的第一部分期間輸出該溢出傳感信號。
15.如權利要求11所述的二次采樣方法，其中，所述重置采樣包括將重置電壓與參考電壓進行比較并存儲溢出傳感信號；和將重置電壓的電平設置為與參考電壓相等。
16.如權利要求15所述的二次采樣方法，其中，在所述重置采樣的第二部分期間設置該重置電壓的電平。
全文摘要
本發明提供了一種用于在CMOS圖像傳感器(CIS)中避免太陽黑效應的模數(ADC)電路。該ADC電路包括具有信號電壓輸入端口和參考電壓輸入端口的比較器，其在重置采樣時段將從多個CIS像素中的一個輸出的重置電壓與參考電壓進行比較，并當所述重置電壓低于所述參考電壓時輸出溢出傳感信號；以及將所述比較器的輸出轉換成數字數據的數字比較器，其中該數字比較器包括第一鎖存器，當在重置采樣時段的第一部分中比較器輸出溢出傳感信號時，該第一鎖存器存儲該溢出信號，并響應于該溢出傳感信號，在信號采樣時段中輸出指示溢出的標志信號。
文檔編號H04N5/335GK1812508SQ20061000679
公開日2006年8月2日 申請日期2006年1月28日 優先權日2005年1月28日
發明者林秀憲 申請人:三星電子株式會社